（电力系统及其自动化专业论文）分布式电源对电网谐波分布的影响及滤波方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w t hc h n a f ss u s t a i n e da n dr a p i dl o a dg r o w t h , an u m b e ro f p r o v m c 鹤a r ef a c i n gt h ep o w e rs u p # ys i t u a t i o n i tc a o s c dg r e a te c o n o m i cl o s e s ，a n d r e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m y m o r e o v e r , t h ei n c r e a s i n go ft h es u p p l yo f f o s s i lf u e l s ，t h eh i g h e rd e m a n do fh u m a ns u r v i v a le n v i r o n m e n tf o rt h e i ro w n , a n dt h e t e c h n i c a li n n o v a t i o no fd e ws m a l lg e n e r a t o r se f f i c i e n c yi m p r o v e m e n t ac a u s e dt h e r e f l e c t i o no ft h et r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e m , w h i c hb r i n gf o r w a r dt h ed i s t r i b u t e d g e n e r a t i o nt e c h n o l o g y g ) i n c o r p o r a t i n gd i s 仃i b l 肛dg e n e r a t o r sw i l lm a k et h ed i s t r i b u t i o nf r o mat y p eo f r a d i a t i o ni n t ot h en e t w o r kt h r o u g h o u tp o w e ra n dc o - a d j a c e n tu s f f r s ，w h i c hw i l lb r i n ga s e r i e so fo p e r a t i o np r o b l e m s v o l t a g er e g u l a t i o n , p r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o n , a n d o v e r - v o l t a g e ，p o w e rq u a l i t y , a n ds oo nt e c h n i c a li s s u e sn e e dt ob er e c o u s i d e r e c l 硼1 i s p a p e ri s f r o mh a r m o m c sp e r s p e c t i v et oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo ft h ed i s t r i b u t e d g e n e r a t o rc o n n e c t e dt ot h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k d i m i b u t e dg e n e r a t o r sc o n n e c t e dt o s y s t e ma l w a y st h r o u g hp o w e re l e c t r o n i c sc o n v e r t e r s ，w h i c hm a yi 画e c th a z m o n i c c u r r e n t st ot h ed i s t r i b u t i o ns y s t e ma n di n f l u e n c et h ep o w e rq u a l i t y f u r t h e r m o r e ，t h i s p a p e ra n a l y z e sh o wt h el o c a t i o na n do u t p u to fd i s t r i b u t e dg e n e r a t o r sa f f e c tt h e d i s t r i b u t i o no f h a r m o n i cv o l t a g ea n dc u r r e n ti nt h ep o w e rg r i d b a s eo nt h ea b o v ea n a l y s i s , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h en 瑚区j l n na n dl e a s t p e n e t r a t i o nl e v e la r eb r o u g h tf o r w a r d m e a n w h i l e , n u m e r i c a la l g o r i t h m sa r c d e s c r i b e di ns u f f i c i e n td e t a i l ，t o g e t h e rw i t ht e s tr e s u l t so fah e n g z h o ud i s t r i b u t i o n n e t w o r kb yu s i n gt h eh a r m o m ca n a l y s i sf u l 蜘o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e ma n a l y s i st o o l p s s a d e p t f i n a l l y , t h ei n f l u e n c eo f h a r m o n i cl e s o n a n c 宅o nt h eh a r m o m cd i s t r i b u t i o no f t h e p o w o r 鲥di ss t u d i e d f o rh a r m o n i cs u p p r e s s i o n , am u l t i - o b j e c t i v ep a s s i v ep o w e r f i l t e rm a t h e m a t i c a lo p t i m i z a t i o nm o d e li s e s t a b l i s h e d , w h i c hi ss o l v e du s i n g m u l t i - o b j e c t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m s 。t h er e s u l t ss h o w e dt h ei n s t a l l a t i o no ff i l t e r d e v c e sh a v i n gs u b s t a n t i a li m p r o v e m e n to nt h eh a r m o m c 蛔e c t i o nt ot h es y s t e mb y 浙江大学硕士学位论文 t h ed i s t r i b u t e dg c n c r a t o r s t h i sa l s os h o w st h a tt h em u l t i - o b j e c t i v em o d e li sac e r t a i n r e a l i s t i cg u i d i n gs i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；h a r m o n i cd i s t o r t i o n ；b i - l e v e lo p t i m i z a t i o n ； p e n e t r a t i o nl e v e l ；r e s o n a n c e ；h a r m o n i cf i l t e r ；m u l 却l eo b j e c tg e n e t i ca l g o r i t h m h i 浙江大学硕士学位论文 1 1 分布式发电概述 1 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着我国负荷持续快速的增长，许多省市出现了电力供不应求的局 面，造成了很大的经济损失，制约了经济的发展。造成这种局面的主要的原因是： ( 1 ) 电源的建设没有跟上；2 ) 电网的建设滞后而且网络结构不合理。因此解 决上述问题的传统做法是：加强电源、电网的建设。 但是传统的发供电模式，一方面发电侧消耗大量煤炭、天然气等不可再生能 源，并对大气和水体产生污染；另一方面输配电设施的建设占用大量土地与资金， 发、输、配电过程中的厂用电与线损不可避免地造成了大量的电能浪费。由于石 化燃料供应日益紧张，生态环境不断恶化，人们对传统的发供电体系进行了反思。 技术创新带来的小型发电机组效率的提高，为分布式发电的再现提供了重要的技 术保证。同时负荷的不断增长致使输电网络越来越接近运行极限，资源与环境的 双重压力构成了推进分布式发电的直接动力。所以，直接从配电侧接入电网的分 布式发电技术越来越受到人们的关注。 1 1 2 分布式发电的概念 分布式发电( d g ) 1 1 棚是指直接布置在配电网或分布在负荷附近的发电设施， 能够经济、高效、可靠地发电，以满足特定用户的需要或支持现存配电网的经济 运行。发电规模一般不大，大约为几十千瓦至几十兆瓦 分布式发电并非一个全新的概念，托马斯爱迪生曾经描述了一个高度分布 的电力系统，每个用户生产他们自己所需的电能。最初，他提出的这个概念切合 实际，在密集的城市郊区，出现了许多服务当地的小容量发电厂这些小型独立 发电厂得到持续发展，在美国，其发电份额从1 8 8 9 年占总发电量的5 0 增加到 1 9 0 7 年占总发电量的5 9 。在电力时代的早期，由于电能的使用尚未普及，很 浙江大学硕士学位论文 多机组都是孤岛运行，我国早期的燃煤自备电厂、重要用户采用的自备发电机， 也应当都是分布式发电的例子。但是这些小机组由于技术落后，在节能环保方面 没有任何优势可言，国家已经要求逐步淘汰小煤电、小热电机组。目前所提出的 分布式发电技术，主要是指采用小容量和低成本的发电技术，能够提供可靠、清 洁的电能，这些小容量的发电装置可以直接连接在配电网上，甚至可以直接安装 在每个居民家中，主要包括风力发电、光伏发电、燃料电池、微汽轮机、燃气轮 机等以可再生能源或者天然气作为一次能源的新型发电技术。 1 1 3 分布式发电的发展现状 数十年来一直沿用的几种主要发电方式，即火电、核电甚至水电，均产生了 环境方面的问题，引起了人们深切的忧虑，于是分布式发电在许多国家都受到了 高度重视。 目前世界上最具商业运营前景的主要是微汽轮机，专家预测微汽轮机采用热 电联产模式将是2 l 世纪能源利用的潮流。采用热电联产模式后，其能源综合利 用率可以达到6 0 以上1 7 1 。但是由于其采用天然气发电，在天然气资源比较匮乏 的地区就难以推广 尽管风力发电、光伏发电等目前经济性较差，但是由于其使用可再生能源发 电，仍然受到普遍的重视。美国、日本由于本国的电子信息产业比较发达，在太 阳能利用发面走在了前面。欧洲在传统机械制造业方面始终保持着领先的地位， 本身所处的地理位置风能又特别的丰富，所以风力发电在欧盟快速发展。随着可 再生能源技术的进一步成熟，在世界各国的鼓励政策支持下，预计今后可再生能 源将会得到更快、更大、更好的发展。今后发展较快的可再生能源除水能外，主 要是风能、太阳能和生物质能。风电将是今后2 0 年发展最快的可再生能源技术。 2 0 0 3 年，全球新增风电装机容量约为8 2 5 万千瓦，风电总装机容量已达4 2 5 0 万 千瓦。目前，至少有铝个国家已利用风力发电，而欧洲就占全球风电总装机容 量的7 0 多，且主要集中在德国、丹麦和西班牙。据预测，到2 0 2 0 年，风电将 占世界发电量的1 2 。太阳能光伏发电将由发达国家的并网发电和发展中国家的 无电人口地区的独立供电设施建设逐渐发展成为发达国家和发展中国家都以并 网发电作为主要方向太阳能热利用的方向是实现与建筑的一体化，进一步提高 2 浙江大学硕士学位论文 其经济性和与建筑的相互协调。欧盟计划到2 0 1 0 年太阳能热水器集热面积将达 到l 亿平方米。生物质能仍是可再生能源中( 非水电) 最重要的能源之一，主要 利用方式是发电、供热和制取液体燃料【羽。 分布式发电技术在我国目前还处于起步阶段，我国目前分布式发电源主要是 一些小水电、自备发电机、以及为数不多的风力发电、光伏电池、潮汐电站和垃 圾发电。但目前我国分布式发电发展中仍存在不少问题，主要包括以下三个方面： ( 1 ) 缺乏系列配套的政策法规 尽管2 0 0 5 年初可再生能源法正式出台，但因实施细则不够具体，而缺 乏切实可行的激励措施，包括税收优惠政策、政府补贴政策、合理的电价政策、 投融资及优惠贷款政策。 ( 2 ) 技术发展规划滞后 基础研究、材料研究、应用研究、产业化研究和建设资金难以得到长期、持 续的保障。同时缺乏科技创新能力和机制，研发与产业化衔接不力。 ( 3 ) 多数可再生能源技术发电成本过高 目前我国可再生能源发电成本远高于常规能源发电成本。例如，小水电发电 成本约为煤电的1 2 倍，生物质发电( 沼气发电) 为煤电的1 5 倍，风力发电成 本为煤电的1 7 倍，光伏发电为煤电的1 1 1 8 倍。 1 2 发展分布式发电的意义 1 2 1 传统集中式供电系统的弊端 集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分 配的主要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。但是当今社会对能源与 电力供应的质量与安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满 足这种要求。集中式电力系统存在一些弊端主要有： ( 1 ) 不能灵活跟踪负荷的变化。随着负荷峰谷差的不断增大，电网的负荷率 正逐年下降，发电及输电设施的利用率都有下降的趋势。如夏季空调负荷的激增 会导致电力供应短时不足，而为这种短时的峰荷建造发输电设施是得不偿失的， 因为其花费是巨大的，而效益和利用率是极低的 3 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 对于偏远地区的负荷不能进行理想的供电。一种情况是距离负荷现有电 力系统太远，输配电系统的投资较大；另一种情况是由于自然条件太恶劣，现有 电力系统到用户的输电线路根本无法架设，即使建成后也会经常出现故障。 ( 3 ) 大型互联电力系统中，局部事故极易扩散，任何一点的故障所产生的扰 动都会对整个电网造成较大影响，严重时可能引起大面积停电甚至是全网崩溃， 造成灾难性后果，这样的事故在国外时有发生，比如2 0 0 3 年美加事故大停电； 而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力的破坏，严重时将危害国家的安全， 如科索沃战争和刚刚结束的海湾战争等；而电力系统越庞大，事故发生的概率就 越高。目前，大电网与分布式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能 够节省投资，降低能耗，提高系统安全性和灵活性的主要方法，是2 l 世纪电力 工业的发展方向。 1 2 2 我国严峻的能源形势 中国的能源资源虽然丰富，但是人均能源资源占有量远低于世界平均水平。 1 9 9 0 年，中国人均探明煤炭储量为1 4 7 吨，为世界平均数的4 1 4 ；人均探明石 油储量为2 9 吨，为世界平均数的1 1 ；人均探明天然气为世界平均数的4 ； 探明可开发水能资源按人口平均也低于世界人均数。1 9 9 7 年，中国人均拥有电 力装机容量为0 2 l 千瓦、人均用电量为9 0 0 千瓦时，仅相当于世界平均水平的 l 3 。 目前我国面临着常规能源资源约束，过分依赖煤炭污染严重，能源利用效率 低等问题。据2 0 0 6 年中国能源发展报告1 9 】，2 0 0 3 年电力需求快速增长，全国电 力供需总体偏紧，缺电范围进一步扩大，2 1 个地区分别出现拉闸限电现象，缺 电覆盖了除东北电网外的所有跨省区大区电网。全年用电量达到1 8 9 1 0 亿千瓦 时，同比上升1 5 4 2 0 0 3 年的缺电已经从部分地区夏季高峰或枯水期电力短缺 转变为全年持续性缺电和随机性缺电。2 0 0 4 年全国缺电形势更加严峻，全国电 力缺口约3 0 0 0 万千瓦，到2 0 0 4 年8 月，全国共有2 4 个省级电网拉闸限电；仅 国家电网公司系统就累计拉限电8 4 3 7 万次，损失电量2 2 4 1 7 亿千瓦时。2 0 0 4 年，中国9 0 的经济总量已经受到电力供应不足的影响。但到2 0 0 5 年上半年之 后，中国电力紧张的局面有所缓和，主要原因是：国家对高消耗行业采取了宏观 4 浙江大学硕士学位论文 调控措施，同时电力投资项目增加。这一方面使电力供不应求的局面改善，另一 方面出现投资过度热潮，很有可能会出现电力过剩的情况。 在石油方面，自1 9 9 3 年中国成为石油净进口国之后，中国石油对外依存度 从1 9 9 5 年的7 6 增加到2 0 0 3 年的3 4 5 到2 0 2 0 年，石油对外依存度有可能 接近6 0 ，接近2 0 0 3 年美国6 6 的水平。届时，中国石油供应的一大半将依赖 国际资源。由于中国的经济增长对石油的依赖程度高，按汇率计算，中国单位 g d p 的石油消费是o e c d 国家平均水平的2 3 5 倍，国际石油价格的持续大幅度 上涨，对中国经济的伤害将大于o e c d 国家。 在煤炭方面，2 0 0 3 年煤炭消费迅速上升，国内消费总量达1 5 9 0 亿吨，同比 增长2 2 亿吨。国内煤炭消费的增加主要受电力、冶金、化工和建材快速增长的 拉动。2 0 0 3 年，以上四大行业的煤炭消费增量合计达2 1 亿吨，其中电力用煤增 量达1 2 亿吨。受煤炭需求迅速上升的影响，煤炭供应全面紧张。煤炭库存维持 在较低水平，2 0 0 3 年底仅为1 0 9 亿吨优。 如果我国重复发达国家的历史发展道路。那么到2 0 2 0 年，能源消费会持续 增长，保守估计也需要2 5 亿到3 5 亿吨标煤、l o 亿千瓦发电装机容量；如果到 2 0 5 0 年达到中等发达国家水平，人均消费3 到3 5 吨标煤、l 千瓦功率，人口稳 定在1 5 亿左右，能源消费则需要4 5 亿到5 2 亿吨标煤、1 5 亿千瓦发电装机容量。 世晃上没有任何一种能源能满足这种规模的能源需求。这是对中国自身和世界能 源的巨大挑战。 1 2 3 在我国发展d g 产业潜力巨大 中国缺油少气，发展分布式发电必须以可再生能源的综合利用为核心。可再 生能源是重要的战路替代能源，对增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全， 保护环境有重要作用，是建设资源节约型，环境友好型社会和实现可持续发展的 重要战略措施。 我国可再生能源的资源非常丰富，根据最新水力资源复查成果，全国水力资 源理论蕴藏量6 8 9 亿千瓦，经济可开发容量4 9 3 亿千瓦，年发电量约为6 0 4 万 亿千瓦时。全国陆地可利用风能资源约2 。5 亿千瓦，海上风能资源约7 5 亿千瓦， 共计约1 0 亿千瓦。到2 0 0 5 年底，全国已建成并网风电场4 3 个，总装机容量1 2 6 浙江大学硕士学位论文 万千瓦。经过引进和吸收国外先进技术，7 5 0 千瓦风电机组的制造技术已经掌握， 1 2 0 0 千瓦风电机组已经投入试运行，1 5 0 0 千瓦和2 0 0 0 千瓦风电机组正在试制之 中到2 0 0 5 年底，全国己累计安装太阳能光伏容量约7 万千瓦，用于解决偏远 地区居民用电和特殊商业用电( 通讯、导航和交通等分散电源) 1 0 o 我国海岸线 漫长，潮汐能资源达2 亿千瓦时，也是很大的一笔能源财富。 尽管我国可再生能源开发的前景诱人，但是现状不容乐观。目前我国水力资 源的开发利用程度尚低。目前水电开发的重点在西部，其水能可开发量占全国的 8 2 ，已开发量不足1 0 ，开发程度较低。风能是地球与生俱来的丰富资源，加 快开发利用风能已成为全球能源界的共识，但在我国风能利用远未形成产业规 模。迟迟迈不过产业化这道坎。开发利用太阳能是实现中国可持续发展战略的有 效措施之一。近两年来我国的光伏发电产业发展迅猛，但我国的光伏电池的生产 仍然与发达国家有很大差距。不仅如此我国9 0 的光伏电池都出口到国外，国内 光伏发电十分有限。 发展分布式发电不仅可以推进可再生能源的合理利用，而且对于电力系统建 设运行也可以带来可观的经济效益。引入分布式发电，可减少大型电厂和远距离 输电线路的建设。首先，新增负荷相当大的部分将由分布式发电来满足；其次， 由于分布式发电的削峰填谷、平衡负荷，降低了峰谷差，现有发输电设施的利用 率将大大提高。那些利用率极低、仅为满足高峰负荷需要的发输电设施将不再有 建设的必要，从而节省了大量的投资。另一方面，分布式发电的普及对电力市场 的走向和格局影响深远。电力公司和用户之间将形成新型的关系：用户可以从电 力公司买电，也可以用自己拥有的分布式电源向电力公司卖电或为电力公司有偿 提供削峰、紧急功率支持等服务；分布式发电也为其他行业，如天然气公司进入 电力市场打开了大门，整个电力市场的竞争将更加激烈。从而更加有利于整个社 会资源的合理优化配置当然，分布式电源的接入使得配电网从一个辐射式的网 络变为一遍布电源和用户互联的网络。配电系统的控制和管理将变得更加复杂。 需要对这种新型配电系统的进行深入研究，制定相应法律法规，积极稳妥地推进 分布式发电 6 浙江大学硕士学位论文 1 3 谐波概述 1 3 1 谐波及产生原因 谐波的定义 i l l ：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率 的整数倍。这是将一个周期电气量按傅立叶级数展开而得到的。 当电路为线性电路时，电路中没有除5 0 h z 以外的其它频率存在，因而无谐 波分量。而为非线性电路时，就会产生谐波，引起波形的畸变。 谐波的产生主要是来自具有非线性特性的电气设备：( 1 ) 具有铁磁饱和特 性的铁芯设备，如：变压器、电抗器等；( 2 ) 以具有强烈非线性特性的电弧为工 作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等：( 3 ) 以电力电子 元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备( 整流器、逆变器、变频器) 、 相控调速和调压装置、大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化 工、电气铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。以上这些非 线性电气设备的显著特点是它们从电网取用菲正弦电流，也就是说，即使电源电 压是正弦波形，但由于负荷具有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压一电 流特性，使得流过负荷的电流是非正弦波形的，它由基波及其整数倍的谐波组成。 产生的谐波使电网电压严重失真，而电网还必须向它提供额外的电能。 1 3 2 谐波的危害 谐波的危害主要有以下几个方面i x 2 1 ： ( 1 ) 可能使电力系统的继电保护和自动装置产生误动或拒动，直接危及电 网的安全运行； ( 2 ) 使各种电气设各产生附加损耗和发热，使电机产生机械振动及噪声； ( 3 ) 谐波电流在电网中流动，作为一种能量，最终要消耗在线路及各种电 气设备上，从而增加损耗，影响电网及各种电气设备的经济运行。 ( 4 ) 由于电网中谐波电流的存在，通过电磁感应、电容耦合以及电气传导 等作用，对周围的通信系统产生干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正 常传递，甚至损坏通信设备； 7 浙江大学硕士学位论文 ( 5 ) 谐波使电网中广泛使用的各种仪表，如电压表、电流表、有功及无功 功率表，功率因数表、电度表等产生误差： ( 6 ) 大大增加了电网中发生谐波谐振的可能，从而造成很高的过电流或过 电压而引发事故的危险性。 1 3 3d g 接入电力系统会引入谐波 从谐波建模和仿真的角度，一台d g 可以看作一种向配电馈线注入谐波的非 线性负荷，在现有的管理体系下，电力的供应者必须为所提供的电能质量负责。 而经过功率变换器接入电网的d g 会贡献谐波电流，是电力系统最常见的谐波源。 如果d g 贡献的谐波电流足够大，公共电网的电压或者电流畸变会超过一定标准， 这个标准国际上是i e e e 5 1 9 - - 1 9 9 2 标准1 3 】，而国内是采用g b t1 4 5 4 9 9 3 标准 【1 4 1 本课题研究的就是d g 接入配网系统后对电网谐波分布的影响，以及相应的 解决措施。 1 4 本文主要研究目标和内容 1 4 1 主要研究目标 不同分布式电源具有不同的数学模型，如何建立该模型并在计算软件中 加以模拟，是本文研究需要解决的首要问题。 限制准入功率的因素众多，不可能面面俱到，要在合理的假设下，考虑 主要因素，忽略次要因素，得到合理的结果，需要仔细研究，本文主要 考虑的是谐波因素。 单个分布式电源和多个不同的分布式电源同时接入时对电网谐波分布的 影响必然不同，如何将单个分布式电源的数学模型扩展至多分布式电源 的情况，计算此时的准入功率，是本研究的最大难题。 如何得到有效的谐波抑制方案，为现实提供参考。 8 浙江大学硕士学位论文 1 4 2 主要研究内容 建立分布式电源的谐波计算模型，并结合仿真算例，分析分布式电源在 配电网中接入位置、接入功率对电网谐波电压电流分布的影响。 在上述分析的前提下，提出计算最大准入功率以及至少准入功率的数学 模型，最后结合杭州局配电系统的算例，利用配电系统分析工具 p s s a d e p t 中的谐波分析功能进行仿真，计算出单个分布式电源接入 时，馈线沿线各负荷节点分布式电源的最大准入功率，以及在多个分布 式电源接入位置给定的前提下，分布式电源的至少准入功率。 对于谐波抑制方面，开发出了有效的滤波器建模算法，对滤波器的最优 参数设定和定容问题有一定的指导意义。 浙江大学硕士学位论文 第2 章含d g 电力系统谐波分析的原理 2 1d g 接入电力系统的方式 具体形式d g 的典型容量范围及其与电网的接口形式如表2 1 所示。表 2 1 中所使用的一次能源有：化石燃料、可再生能源及电能的储存。若d g 与电 力系统相连时，并网技术类型有：直接与系统相联( 机电式) 和通过逆变器与 系统相联两大类。若d g 是旋转式电机直接发出基频交流电则属于第一类，而 逆变器型d g 通常指的是发出直流电的d g 和发出高频交流电的d g 。 裹2 1 常见的分布式电源殛其与电罱的接口【嘲 逆变型d g 输出一般采用大电抗+ 隔离变压器接入公共联接点( p c c ) ，如图 2 1 所示，这里增加电容器，可以起到改善电能质量的作用。隔离变压器的引入 1 0 浙江大学硕士学位论文 方面可以使电源侧电压与电网侧电压相匹配，另一方面可以将零序电流或者直 流分量隔离，还可以起到抑制三次及三次整数倍的谐波进入电网的作用。 l i ) g 图2 i 逆变型d g 并网示意图 由于考虑到经过逆变器接入电网的分布式电源会贡献谐波电流，是电力系统 常见的谐波源。而其他的分布式电源接入电网的方式，如通过同步发电机、异步 发电机接入，产生的谐波电流含量并不大，可以在谐波分析中忽略其对电网的影 响。所以本文主要考虑的是分布式电源通过逆变器接入电网时，逆变器中产生的 谐波电流分量对配电网的影响。 2 2 谐波分析理论 本文采用电流注入法0 6 1 进行谐波分析，即假定分布式电源由某些逆变装置 接入电网，并将这些装置视为内阻无穷大的谐波电流源，其注入节点的各次谐波 电流的幅值和相角，都仅仅和流过该装置的基波电流的幅值和相角成线性关系。 在此假定下。可以分别计算出系统对各单一频次的谐波响应，这些响应的总和就 是系统谐波分析的结果。为了研究不同接入类型的分布式电源组合对配电网的影 响，本文考虑了分布式电源通过两种典型的电力电子逆变装置接入电两：1 2 脉 波逆变器和6 脉波逆变器f 1 刀，其典型谐波电流频谱见图2 2 。 浙江大学硬士学位论文 田2 2 诣波源电流频谱固 2 3 谐波畸变指标及标准 谐波畸变的度量通过电压谐波总畸变率( t h d v ) ，第h 次谐波电压含有率 ( h r v 6 ) ，电流谐波总畸变率( t h d l ) ，第j j l 次谐波电流含有率( h r i ) 四个 指标叫，这四个指标的定义列写如下： t h d v h r v t h d t ( 2 1 ) ( 2 2 ) 1 0 0 ( 2 3 ) h r = 一a1 - x 1 0 0 ( 2 4 ) 式( 2 1 ) 式( 2 4 ) 中的上标h 表示谐波次数，上标为l 表示该参数是基 波量，如j 1 表示基波电流。 要提高电能质量，必须加强对谐波的管理。本着限制谐波源向公用电网注入 谐波电流，将谐波电压限制在允许范围内的原则。首先要掌握系统中的谐波源及 其分布，限制其谐波在允许范围内方可入网，未达标的必须采取治理措施，以防 谐波扩散。为此国际电工委员会( i e c ) 和美国i e e e 都有推荐标准，如i e e e 规定 单扣匮 = = = 浙江大学硕士学位论文 的谐波电流极限标准见表2 2 ，谐波电压极限标准见表2 3 。我国结合电网实际 水平并借鉴其他国家标准制定的谐波电压畸变率规定见表2 4 。表中k 表示公 共联接点( p c c ) 处的最大短路电流，毛表示的是在p c c 点处的最大负荷电流( 基 波量) 。 襄2 2 谐波电流极限值( i e e e 5 1 9 - - 1 9 9 2 规定) 叫 寰2 3 谐波电压畸变率限值( i e e e s l 9 1 9 9 2 规定) 【1 3 】 表2 4 谐波电压畸变率限位( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) 【j j 浙江大学硕士学位论文 第3 章电力元件的谐波参数和数学模型 3 1 发电机模型 理想发电机电动势可以认为是纯正弦的，不含有谐波分量，因而发电机电动 势只存在于基波网络。在谐波网络里，发电机谐波电动势为零，其等值电路为由 发电机端点经谐波电抗阮直接与中性点相连( 谐波正序电抗与负序电抗基本相 等) ，如图3 1 所示【1 1 1 。 图3 1 发电机谐波等值电路 砖= 越( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中砧表示发电机的基波零序或负序电抗；h 为谐波次数。 3 2 变压器模型 在谐波作用下，交压器绕组间及绕组中匝甸的电容将起作用，但在所考虑的 谐波次数不太高时，可以忽略不计。因此其等值电路为一连接原副边节点的阻抗 支路，如图3 2 所示。其阻抗值由绕组电阻辟和漏抗神组成，漏感值可近似认 为是常数，谐波电抗为相应基波电抗与谐波次数的乘积 1 l 】。 砖姑 卜_ t 二) _ 一 图3 2 变压器谐波等值电路 在谐波作用下，绕组的集肤效应和铁芯中的涡流损耗都将增大。资料表明， 它使变压器等值电阻值大致与谐波次数的平方根成正比。因此，变压器谐波阻抗 1 4 浙江大学硕士学位论文 露可表示为 露；石磷+ 庐磷 ( 3 2 ) 式( 3 2 ) 中赐是变压器基波电抗；耐是变压器基波电阻。 3 3 输电线路模型 谐波计算中，原则上可采用类似于基波的n 型等值电路。但谐波时线路的分 布特性将比基波时更显著，因而每个等值n 所能代表的线路距离将大为缩短。对 于架空线路，若每个等值玎能代表的线路最大长度在基波时为册k m ，则对h 次 谐波将限制为m h k m 。从而谐波计算所需的等值n 的数目将大大增加，而且各 次谐波所需的数目也不相同。此时，采用双曲线函数计算等值电路参数将更为便 利，每条线路只需如图3 3 所示的一个等值n 型电路即可 1 1 1 。 趁= 硭s h t h l 堙= 2 c 硭h y 5 h 砂l - 。j 1 图3 3 输电线路的谐波等值电路 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 露= 历虿 ( 3 5 ) 矿= 属万 ( 3 6 ) 式( 3 3 ) 一式( 3 6 ) 中z 喜，广分别为h 次谐波时线路的特征阻抗和传播常 数；力，必分别为| 1 1 次谐波时线路单位长度的阻抗和导纳。 浙江大学硕士学位论文 3 4 负荷模型 这里所指的是除去谐波源后电力系统的其他负荷，主要是工业负荷，其中异 步电机是负荷的主要部分在潮流计算中各节点的负荷是综合负荷，基波潮流计 算是将它作为节点注人功率处理，在谐波潮流计算时，将它看作恒定阻抗。于是 综合负荷的谐波等值阻抗为 磊= 锄1 + j h x l ( 3 7 ) 式( 3 7 ) 中科，石一分别是基波时等值电动机的负序电阻和电抗。如负荷出现 三相不对称情况，可参照不对称输电线的解耦一补偿模型，计算其谐波补偿电流。 3 5 谐波源模型 电力系统中的谐波源主要是大型的电力电子变流装置，这些谐波源产生的谐 波电流基本上只取决于它们的工作条件和外加电压，与外电路的阻抗关系不大， 可以将这些谐波源看作为内阻抗为无穷大的电流源。对于一般谐波源，可以利用 黑箱法建立其模型，即不考虑谐波源的内部特性，而把整个谐波源作为一个整体。 从外部观测其谐波特性“1 , 2 2 1 。谐波特性可用式( 3 8 ) 表示( 偶次谐波一般较小， 本文不予考虑) ： 露= 厂( 【7 ：；，( 7 ；，以) ( 3 8 ) 式( 3 8 ) 中：嚣为谐波源注入系统的j 1 1 次谐波电流；礤( h - i ，3 ，帕为谐波 源节点的h 次谐波电压；拼为所分析的谐波最高次数 由式( 3 9 ) n - i 见，各次谐波电流是各次谐波电压的函数，但在实际系统中多数 谐波电流源的基波电压对注入电流的影响较各次谐波电压的大的多，而各次谐波 电压幅值相对基波电压来说其数量级也相差甚远，因此忽略高次谐波电压对注入 电流的影响。 此外，由于谐波功率一般较小，因而谐波分析一般只着眼于电流、电压的计 算。 由以上分析，本文采用电流注入法【1 6 】进行谐波分析计算，即假定由某些谐波 1 6 浙江大学硕士学位论文 电流源装置注入节点的各次谐波电流的幅值和相角，都仅仅和流过该装置的基波 电流的幅值和相角成线性关系。在此假定下，可以容易地分别计算出系统对各单 一频次的谐波响应，这些响应的总和就是系统谐波分析的结果。一般认为在母线 电压畸变小于1 0 0 4 的场合，使用电流注入法是能满足工程需要的，雨i e e e 标准中 限制的购为5 ，因此此处采用电流注入法的计算准确率可以信赖。 以下举一个典型谐波源为例说明这一线性关系： 设系统有月个独立节点，编号为口的节点接有一台d g ，此d g 通过三相六脉 波逆变器接入系统。在直流侧等效电感足够大的条件下，以a 相电压为基准时， 相电流可以表示为： = 筝i # ( s i n c o t 弩1i n 5 耐+ 号s i n 7 c o t 百i s i n h c a + - )( 3 1 0 ) 式( 3 1 0 ) 中：h = 6 k + l ( 七= o l ，2 ，) 表示特征谐波的频次1 7 】；厶是逆变器 的直流电流。相电流的基波分量最大幅值为，1 = ( 2 压力屯，第| j 1 次谐波分量的 最大幅值为j = ( 1 ， ) 一。显然，各次谐波电流在大小和相位上分别是基波电流幅 值和相位的线性函数。如果已知分布式电源接入逆变器的有功功率p ，可近似认 为基波电流i i * ，廊1 ，于是可以认为各次谐波电流和分布式电源的注入功率也 有着同样的线性关系。 系统的第h 次谐波节点方程为： u 。= z q l ( 3 1 1 ) 式( 3 1 1 ) 中：h 为谐波次数；i ：为第 次谐波注入电流向量；u k 为节点 的第h 次谐波电压向量；z 。为系统第h 次谐波阻抗矩阵。 谐波源节点的注入电流向量i 可由谐波源模型求出；非谐波源节点的注入电 流为零，等值为接地阻抗例如：谐波源在口处接入，则1 2 - - ( o 堙o ) 。 各支路的谐波电流可以采用下式计算： 臻= 瑶研一啦) ( 3 1 2 ) 由于式( 3 1 0 ) 是线性方程，可利用高斯消去法直接求解，在计算中不存在 1 7 浙江大学硕士学位论文 迭代收敛性问题。 根据以上分析，采用电流注入法计算时，三相谐波潮流计算的主要步骤概括 如下： ( 1 ) 作基波潮流计算。求得系统各节点的基波电压； ( 2 ) 形成各次谐波阻抗矩阵； ( 3 ) 由节点基波电压和接于该节点的谐波源特性求得节点的注入谐波电流 向量i ； ( 4 ) 根据式( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 由节点注入谐波电流及谐波阻抗矩阵解谐波网 络方程，求得各节点谐波电压和各支路谐波电流。 1 8 浙江大学硕士学位论文 第4 章d g 对电网谐波分布的影响 传统发电机节点在潮流计算中一般取为p q 节点，p v 节点或平衡节电，而d g 有特殊性，其节点是否能取为3 种节点类型还未有定论。在本文中，考虑到配电 网内的分布式电源不应该主动参与电压调节【2 3 捌，系统维持电压缺额的无功就地 的由电容器来提供，所以在潮流计算中将分布式电源作为p q 节点处理，此时分 布式电源应尽可能维持在高功率因数，尽量减少无功出力，文献【2 4 】认为从电压 调整和减少网损的角度，分布式电源的应尽可能运行在功率因数0 9 5 l 之间， 因此在本文的计算中，假设所有分布式电源的功率因数均为o 9 5 。 4 1 实际算例介绍 基于上述分析，本文采用杭州电力局1 0 k v 永宁变半山支线( 图4 1 ) 作为算 例，该系统是一种典型的链式配电网络，其负荷模型采用恒功率静态负荷模型， 半山支线通过永宁变的l 号主变接入1 1 0 k v 电网，其1 0 k v 侧的最小短路容量为 2 0 2 3 m ：、r a 。 孙家门农2 半产2 彳噻下1 孙金； 囊絮 1 塘农 海威特挈管 油 星2 支线 金星1 支线 金 奎 羹建 金星3 农 引半k 十 椎一半击1r 囊j i 一去 农 迥达 恒 囊 交 警 家彬 图4 1 杭州电力局半山支线结构图( s - - 熔断器，卜负荷开关，一断路嚣) 1 9 s 浙江大学硕士学位论文 4 2 仿真软件简介 本文采用阿公司开发的软件程序p s s a d e p t 进行仿真计算，p s s a d e p t 是一个功能强大，使用简便，用于配电系统规划，设计和分析的网络仿真程序。 可以模拟对称或不对称的，环状的或辐射型的网络，这些网络可以含有三相支线， 两相支线或单相支线以及它们的任意组合。其主要功能包括短路计算、电动机起 动分析、电容器配置优化、联络点开断优化、谐波分析等。算例中的结果主要是 利用p s s a d e p t 中的谐波分析的功能得出的。 4 3 分布式电源出力变化的影响 针对上述测试系统，假设分布式电源均通过1 2 脉波逆变器接入电网，我们 来分析一下分布式电源出力变化对电网谐波分布的影响。同样的网络数据和负 荷，分布式电源也安装在相同的地点。对每个分布式电源的出力进行随机变动。 5 台分布式电源分别位于馈线上的交警支线，半金支线，半高1 支线。建四支线 和金星1 支线。将几次试验的结果绘制在图4 2 中，图中横坐标表示从系统母 线到馈线末端各采样点编号。分布式电源出力变动情况见表4 1 裹4 1 d g 出力改变以及总出力占总负荷的比值 j | | ： 蓁z 耋。 1234567 891 0 馈线沿线节点编号 圈4 2 d g 出力改变对馈线沿线谐波电压畸变率的影响 浙江大学碗士学位论文 结果表明：在不改变分布式电源接入位置的情况下，馈线上7 - 劢由分布式 电源的总出力决定。总出力越大，占总负荷的比例越高，同一馈线沿线各负荷节 点电压谐波畸变宰就越大，某些畸变严重节点的谐波指标就有可能超过 i e e e 5 1 9 1 9 9 2 或g b t1 4 5 4 9 - 9 3 规定的谐波电压或电流畸变率的限值。因此在这 种情况下，就需要限制分布式电源的准入功率。 4 4 分布式电源位置变化的影响 假设分布式电源的数量并没有变化，仍为5 个，并且保持每个分布式电源出 力不变，只改变它们在网络中的位置。图4 3 显示的是馈线沿线各负荷节点的谐 波电压畸变率值，表4 2 显示的是各分布式电源的装设位置信息。 表4 2 d g 位置变化的信息 誉 金 卜 靼 谁 鳋 瘿 缀 基 一沿线分布扣首端集中占一中间集中卜末端集q l o 一 j 8 6 一p 。一 4 ，_ 声；影二一一一一一一 2 一一一 馈线沿线节点编号 图4 3d g 位置改变对馈线沿线谐波电压麝变率的影响 从图4 3 可以看出，总出力相同的分布式电源，分布在不同的位置，得到 的馈线沿线各节点的谐波电压畸变率乃有着较大的差异。比较图4 3 各条曲 浙江大学硕士学位论文 线，可以看出： ( 1 ) 总出力相同的分布式电源，其位置越接近线路末端，馈线沿线各负荷 节点的电压畸变越严重，可以看到很多节点的t h d v 已经超过了i e e e 5 1 9 - 1 9 9 2 的5 t h d v 极限值。反之，分布式电源越接近系统母线，对系统造成的谐波影 响越小。 ( 2 ) 从减小谐波畸变率的角度，分布式电源并不适宜在末节点接入系统， 相反，可选择在线路接近系统母线处和馈线中间位置的组合。 浙江大学硕士学位论文 第5 章准入功率的计算 本章中我们将探讨准入功率的数学模型。首先是最大准入功率模型，其基本 定义是给定分布式电源的种类，谐波注入参数( 诣波数，幅值和相角) ，电源接 入电网的节点( 这个参数也可以是不确定，但其模